軸承套圈雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2018-2-26 來源： 揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 作者：王偉
摘要: 軸承在市場上有著廣泛的應(yīng)用，為了提高生產(chǎn)效率，研發(fā)軸承套圈雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)符合當(dāng)前市場需求。根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，通過參閱大量文獻(xiàn)，研發(fā)了軸承套圈雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了機(jī)械本體、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)床面板等，為提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量提供了技術(shù)支持，得出了有益結(jié)論。
關(guān)鍵詞: 軸承套圈; 雙主軸車削中心; 數(shù)控系統(tǒng)
制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。
隨著中國制造業(yè)的不斷發(fā)展，全國各大行業(yè)為了抓住此契機(jī)，為適應(yīng)發(fā)展需求，不斷進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展，目前中國的制造業(yè)發(fā)展已經(jīng)初見成效。軸承被稱作工業(yè)的點(diǎn)心，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，因而創(chuàng)新軸承產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造工藝流程及提供生產(chǎn)效率勢在必行。
為此研發(fā)軸承套圈數(shù)字化車間符合當(dāng)前市場需求，機(jī)械加工系統(tǒng)是數(shù)字化車間的有機(jī)組成部分，而雙主軸車削中心是機(jī)械制造系統(tǒng)和車削加工單元的核心組件，它是為適應(yīng)軸承套圈車削加工工藝專門研發(fā)的設(shè)備。
根據(jù)軸承套圈加工工藝介紹，可以看出無論是外圈、還是內(nèi)圈的車削工序都有兩個(gè)，如果采用兩臺(tái)機(jī)床完成兩個(gè)工序會(huì)存在以下問題: 首先，生產(chǎn)輔助時(shí)間長，生產(chǎn)效率低; 其次，加工精度受損。Brian KELLOCK 研究指出，采用雙主軸車床是解決以上問題的最有效途徑。
為此，課題組成員根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要自主研發(fā)了雙主軸車削中心，其機(jī)械本體如圖 1 所示。
圖 1 雙主軸車削中心機(jī)械本體
1 、軸承套圈車削加工中心的結(jié)構(gòu)
一臺(tái)雙主軸車削中心、一套工件尺寸測量裝置構(gòu)成一個(gè)車削加工單元，它承擔(dān)著軸承套圈車削加工的工作。雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)除了按照車加工單元監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的 NC 代碼控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)完成加工外，還將對(duì)機(jī)床的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并反饋給車加工單元監(jiān)控系統(tǒng); 工件尺寸測量裝置對(duì)加工好的軸承圈的形狀參數(shù)進(jìn)行測量; 車加工單元監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)采集的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)比已經(jīng)設(shè)置好的公差帶，如果超過了公差帶，馬上采取調(diào)整刀補(bǔ)或是換刀的措施，從而在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中始終有效地控制著產(chǎn)品尺寸，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了質(zhì)的提升。同時(shí)在生產(chǎn)過程中，通過統(tǒng)計(jì)合格品的數(shù)量，亦實(shí)現(xiàn)了刀具的壽命管理，使刀具使用的效率得到了提升。
此外，車加工單元監(jiān)控系統(tǒng)還可進(jìn)行 CPK、SPC 等數(shù)值的計(jì)算，并將加工信息反饋給機(jī)械加工系統(tǒng)中心管理系統(tǒng)。
2 、雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)是雙主軸車削中心的大腦，也是發(fā)揮其最大作用的保障。雙主軸車削中心具有兩個(gè)主軸和兩個(gè)刀架，因此雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)六軸系統(tǒng)，而且這 6 個(gè)軸還分成兩個(gè)坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系要同時(shí)工作。
目前，具備以上功能的數(shù)控系統(tǒng)基本上都是進(jìn)口系統(tǒng) ( 如 SIMENSE 810D、FANUC 0T) ，價(jià)格昂貴，此外，它們很多接口都不對(duì)外開放，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的生產(chǎn)監(jiān)控以及根據(jù)工件在線尺寸測量進(jìn)行刀補(bǔ)參數(shù)調(diào)整功能，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用封閉式結(jié)構(gòu)，存在很大的局限性: ( 1) 很難采納主流的計(jì)算機(jī)與信息技術(shù); ( 2) 系統(tǒng)功能固定，不具有柔性; ( 3) 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面不靈活，系統(tǒng)的培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用昂貴。
數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)封閉式向開放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的過程。開放式數(shù)控系統(tǒng)是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性飛躍，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是標(biāo)準(zhǔn)的、對(duì)外開放的，使數(shù)控系統(tǒng)滿足模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的要求。為了滿足數(shù)字化車間和生產(chǎn)過程監(jiān)控的要求，課題組采用開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。
目前常見的開放結(jié)構(gòu)控制器產(chǎn)品主要是基于 PC的系統(tǒng)，而且種類繁多。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為以下幾類:
( 1) “PC 嵌入 NC”結(jié)構(gòu)。這只不過在傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中加入了 PC 機(jī)，通過建立合適的數(shù)據(jù)接口和 PC 進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的部分開放。
如FANUC Serial 150 / 160 / 180 / 210。其需要雙操作系統(tǒng)，如 MS Windows 和專用的數(shù)控操作系統(tǒng)，PC 機(jī)只不過用來提高可操作性，原來的控制器不做結(jié)構(gòu)上的任何改動(dòng)。
( 2) “NC 嵌入 PC”結(jié)構(gòu)。它由開放式運(yùn)動(dòng)控制板加 PC 機(jī)構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制板通常選用高速DSP 作為 CPU 來完成實(shí)時(shí)性的 NC 內(nèi)核任務(wù)而由 PC機(jī)來完成非實(shí)時(shí)性的任務(wù)。兩個(gè) CPU 之間通過 PC 總線和雙端 ＲAM 來通信。它開放的函數(shù)庫供用戶在Windows 平臺(tái)下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。
( 3) “基于現(xiàn)場總線的 PC－NC” 結(jié)構(gòu)。它是將現(xiàn)場總線卡，如 SEＲCOS 和 PＲOFIBUS，插入到 PC 機(jī)的插槽中。基于此種標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品有北京機(jī)電研究院的JT2100、 Indramat System 2000 和 Simulink 802D，840D 等。
( 4 ) 軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)。 它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它 的 軟件全部 存在于PC 機(jī)中，而硬件僅為 PC 機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部 I / O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口
。其典型產(chǎn)品有德國 PowerAutomation 公 司 的 PA8000 NT、 美 國 MDSI 公 司 的Open CNC 等。經(jīng)過多方對(duì)比，考慮到加工精度、加工效率等要求，課題組采用 “NC
嵌入 PC” 結(jié)構(gòu)，以美國 DeltaTau 公司生產(chǎn)的 PMAC Clipper 運(yùn)動(dòng)控制器作為數(shù)控內(nèi)核。Clipper 運(yùn)動(dòng)控制器標(biāo)準(zhǔn)卡可控制 4 個(gè)軸，再加上一個(gè) Acc1P 即可控制 8 個(gè)軸，滿足雙主軸車削中心的要求。Clipper 運(yùn)動(dòng)控制器采用以太網(wǎng)和 PC 進(jìn)行通信，因此，雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 2所示。
圖 2 雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)
為了方便操作人員使用，設(shè)計(jì)了如圖 3 所示的機(jī)床面。整個(gè)系統(tǒng)的程序分為上位機(jī)程序和下位機(jī)程序兩大部分。上位機(jī)程序指的是在 PC 機(jī)上運(yùn)行的程序，包括 NC 代碼程序編輯、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測顯示、參數(shù)設(shè)定、加工過程分析、系統(tǒng)交互等模塊。下位機(jī)程序指的是運(yùn)行在 PMAC 上的程序，包括 G 代碼實(shí)現(xiàn)程序、M 代碼實(shí)現(xiàn)程序、PLC 程序等部分。
圖 3 機(jī)床面板
3 、結(jié)論
課題組設(shè)計(jì)研發(fā)的軸承套圈雙主軸車削中心數(shù)控系統(tǒng)目前已處于調(diào)試階段，總體情況良好，預(yù)計(jì)投入生產(chǎn)使用后，能夠大幅度減少工時(shí)、提高生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來的利潤是非常可觀的，同時(shí)也為進(jìn)一步研究改進(jìn)提供了理論借鑒。
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